The thymic microenvironment is required for T cell development in vivo. However, in vitro studies have shown that when hematopoietic progenitors acquire Notch signaling via Delta-like (Dll)1 or Dll4, they differentiate into the T cell lineage in the absence of a thymic microenvironment. It is not clear, however, whether the thymus supports T cell development specifically by providing Notch signaling. To address this issue, we generated mice with a loxP-flanked allele of Dll4 and induced gene deletion specifically in thymic epithelial cells (TECs). In the thymus of mutant mice, the expression of Dll4 was abrogated on the epithelium, and the proportion of hematopoietic cells bearing the intracellular fragment of Notch1 (ICN1) was markedly decreased. Corresponding to this, CD4 CD8 double-positive or single-positive T cells were not detected in the thymus. Further analysis showed that the double-negative cell fraction was lacking T cell progenitors. The enforced expression of ICN1 in hematopoietic progenitors restored thymic T cell differentiation, even when the TECs were deficient in Dll4. These results indicate that the thymus-specific environment for determining T cell fate indispensably requires Dll4 expression to induce Notch signaling in the thymic immigrant cells.

Promiscuous gene expression (PGE) by thymic epithelial cells (TEC) is essential for generating a diverse T cell antigen receptor repertoire tolerant to self-antigens, and thus for avoiding autoimmunity. Nevertheless, the extent and nature of this unusual expression program within TEC populations and single cells are unknown. Using deep transcriptome sequencing of carefully identified mouse TEC subpopulations, we discovered a program of PGE that is common between medullary (m) and cortical TEC, further elaborated in mTEC, and completed in mature mTEC expressing the autoimmune regulator gene ( Aire ). TEC populations are capable of expressing up to 19,293 protein-coding genes, the highest number of genes known to be expressed in any cell type. Remarkably, in mouse mTEC, Aire expression alone positively regulates 3980 tissue-restricted genes. Notably, the tissue specificities of these genes include known targets of autoimmunity in human AIRE deficiency. Led by the observation that genes induced by Aire expression are generally characterized by a repressive chromatin state in somatic tissues, we found these genes to be strongly associated with H3K27me3 marks in mTEC. Our findings are consistent with AIRE targeting and inducing the promiscuous expression of genes previously epigenetically silenced by Polycomb group proteins. Comparison of the transcriptomes of 174 single mTEC indicates that genes induced by Aire expression are transcribed stochastically at low cell frequency. Furthermore, when present, Aire expression-dependent transcript levels were 16-fold higher, on average, in individual TEC than in the mTEC population.

Autoimmune polyendocrine syndrome type 1 (APS-1) is a multiorgan autoimmune disorder caused by mutations in AIRE, the autoimmune regulator gene. Though recent studies concerning AIRE deficiency have begun to elucidate the molecular pathogenesis of organ-specific autoimmunity in patients with APS-1, the autoantigen responsible for hypoparathyroidism, a hallmark of APS-1 and its most common autoimmune endocrinopathy, has not yet been identified.We performed immunoscreening of a human parathyroid complementary DNA library, using serum samples from patients with APS-1 and hypoparathyroidism, to identify patients with reactivity to the NACHT leucine-rich-repeat protein 5 (NALP5). Subsequently, serum samples from 87 patients with APS-1 and 293 controls, including patients with other autoimmune disorders, were used to determine the frequency and specificity of autoantibodies against NALP5. In addition, the expression of NALP5 was investigated in various tissues.NALP5-specific autoantibodies were detected in 49% of the patients with APS-1 and hypoparathyroidism but were absent in all patients with APS-1 but without hypoparathyroidism, in all patients with other autoimmune endocrine disorders, and in all healthy controls. NALP5 was predominantly expressed in the cytoplasm of parathyroid chief cells.NALP5 appears to be a tissue-specific autoantigen involved in hypoparathyroidism in patients with APS-1. Autoantibodies against NALP5 appear to be highly specific and may be diagnostic for this prominent component of APS-1.

Dendritic cells (DCs) in the thymus (tDCs) are predominantly accumulated in the medulla and contribute to the establishment of self-tolerance. However, how the medullary accumulation of tDCs is regulated and involved in self-tolerance is unclear. We show that the chemokine receptor XCR1 is expressed by tDCs, whereas medullary thymic epithelial cells (mTECs) express the ligand XCL1. XCL1-deficient mice are defective in the medullary accumulation of tDCs and the thymic generation of naturally occurring regulatory T cells (nT reg cells). Thymocytes from XCL1-deficient mice elicit dacryoadenitis in nude mice. mTEC expression of XCL1, tDC medullary accumulation, and nT reg cell generation are diminished in Aire-deficient mice. These results indicate that the XCL1-mediated medullary accumulation of tDCs contributes to nT reg cell development and is regulated by Aire.

Significance FOXN1 is a transcription factor that is essential for the development of the thymus and the production of T-lymphocytes. It is a member of a large family of transcription factors which recognize DNA sequences through the conserved Forkhead (FH) domain. FOXN1 recognizes a DNA sequence that is different from the common consensus binding sequence of FH domains, although key binding residues are identical. We present crystal structures of the FH domain of FOXN1, free and DNA-bound, which shed light on the different binding specificities; the structure also revelas the basis of the immunocompromised nude mutation, as well as a preferential binding to non-methylated CpG motifs. Abstract FOXN1 is a member of the forkhead box (FOX) family of transcription factors, and plays an important role in thymic epithelial cell differentiation and function. FOXN1 mutations in humans and mice give rise to the "nude" phenotype which is marked by athymia. FOXN1 belongs to a subset of the FOX family that recognize an alternate consensus sequence (GACGC), which is different from the more widely-recognized canonical sequence consensus RYAAAYA. Here, we present the structure of FOXN1 in complex with DNA at 1.6 Å resolution, in which the DNA sequence is recognised by a mixture of direct and water-mediated contacts provided by residues in an a-helix inserted in the DNA major groove (the recognition helix). Comparisons with other FOX family structures reveal that the canonical and alternate DNA sequences are bound in two distinct modes, with partially different registers for the protein DNA contacts. We identify a single alternate rotamer within the recognition helix itself as an important determinant of DNA specificity, and indicate sequence features in the recognition helix that could be used to predict the specificity of other FOX family members. Finally we demonstrate that FOXN1 has a significantly reduced affinity for DNA containing 5-methylcytosine, which may have implications for the role of FOXN1 in thymic senescence.

Abstract Although the advent of organoids opened unprecedented perspectives for basic and translational research, immune system-related organoids remain largely underdeveloped. Here we established organoids from the thymus, the lymphoid organ responsible for T cell development. We identified conditions enabling thymic epithelial progenitor cell proliferation and development into organoids with in vivo-like transcriptional profiles and diverse cell populations. Contrary to two-dimensional cultures, thymic epithelial organoids maintained thymus functionality in vitro and mediated physiological T cell development upon reaggregation with T cell progenitors. The reaggregates showed in vivo-like epithelial diversity and ability to attract T cell progenitors. Thymic epithelial organoids provide new opportunities to study TEC biology and T cell development in vitro, pave the way for future thymic regeneration strategies and are the first organoids originating from the stromal compartment of a lymphoid organ. Summary statement Establishment of organoids from the epithelial cells of the thymus which resemble their in vivo counterpart and have thymopoietic ability in reaggregate culture.

Abstract The network of thymic stromal cells provides essential niches with unique molecular cues controlling T-cell development and selection. Recent single-cell RNA-sequencing studies uncovered a large transcriptional heterogeneity among thymic epithelial cells (TEC) demonstrating a previously unappreciated complexity. However, there are only very few cell markers that allow a comparable phenotypic identification of TEC. Here we deconvoluted by massively parallel flow cytometry and machine learning known and novel TEC phenotypes into novel subpopulations and related these by CITEseq to the corresponding TEC subtypes defined by the cells’ individual RNA profiles. This approach phenotypically identified perinatal cTEC, physically located these cells within the cortical stromal scaffold, displayed their dynamic change during the life course and revealed their exceptional efficiency in positively selecting immature thymocytes. Collectively, we have identified novel markers that allow for an unprecedented dissection of the thymus stromal complexity, the cells physical isolation and assignment of specific functions to individual TEC subpopulations.

ABSTRACT The thymus instructs T cell immunity and central tolerance, yet its therapeutic potential remains untapped. The quest to regenerate thymic function for clinical application is lagging while the signals that drive thymic epithelial cell differentiation remain incompletely understood. Here, we elucidate pathways instructing commitment and specialization of the human thymic epithelial stroma through complementary single cell transcriptomic approaches. First, we identify gene regulatory networks that define fetal thymic epithelium in the thus far unexplored context of other anterior foregut-derived organs; then, we characterize lineage trajectories within the thymic epithelial compartment across embryonic, fetal, and early postnatal stages. Activation of interferon response gene regulatory networks distinguished epithelial cells of the thymus from those of all other anterior foregut-derived organs. Interferon signals were processed differentially within thymic cortical and medullary lineages, reflected in distinct NFκB and IRF signatures, respectively. Our study reveals novel, translatable insights into the developmental programs underlying thymic epithelial cell differentiation that may advance the field of regenerative cell therapies. SUMMARY Single cell transcriptomics of anterior foregut-derived organs identifies pathways governing thymic epithelial commitment and specialization.

Abstract The transcription factor FOXN1 is a master regulator of thymic epithelial cell development and function. Here we demonstrate that FOXN1 expression is differentially regulated during organogenesis and participates in multi-molecular nuclear condensates essential for the factor’s transcriptional activity. FOXN1’s C-terminal sequence regulates the diffusion velocity within these aggregates and modulates the binding to proximal gene regulatory regions. These dynamics are significantly altered in a patient with a mutant FOXN1 which is modified in its C-terminal sequence. This mutant is transcriptionally inactive and acts as a dominant negative factor displacing wild-type FOXN1 from condensates and causing athymia and severe lymphopenia in heterozygotes. Expression of the mutated mouse ortholog, selectively impairs mouse thymic epithelial cell (TEC) differentiation revealing a gene dose dependency for individual TEC subtypes. We have therefore identified the cause for a primary immunodeficiency disease and determined the mechanism by which this FOXN1 gain-of-function mutant mediates its dominant negative effect.